Система кодирования тоном для подавления нежелательных сигналов (CTCSS)

Введение

Тип шумоподавителя с аддитивным шумом

В телекоммуникациях, система непрерывного тонального кодирования шумоподавления (CTCSS) – это один из видов внутриполосной сигнализации, используемый для снижения раздражения от прослушивания других пользователей на общем двухстороннем канале радиосвязи. Её иногда называют тональным шумоподавлением или PL (Private Line) – торговой маркой Motorola. Это достигается путем добавления низкочастотного звукового тона к голосу. Если на одной радиочастоте работает несколько групп пользователей (так называемые пользователи на одной частоте), схема CTCSS отключает звук для тех пользователей, которые используют другой тон CTCSS или не используют CTCSS вообще. Коды тонов CTCSS иногда называют подканалами, но это неверно, так как дополнительные радиоканалы не создаются. Все пользователи с разными тонами CTCSS на одном канале по-прежнему передают на одной и той же радиочастоте, и их передачи могут создавать помехи друг другу; однако, эти помехи обычно маскируются. Хотя CTCSS обеспечивает некоторую защиту от помех, он не обеспечивает никакой безопасности от перехвата или глушения, и приемники без включенной функции CTCSS по-прежнему будут принимать весь трафик. Приемник с шумоподавлением по несущей или по шуму не подавляет достаточно сильный сигнал; в режиме CTCSS он включается только при наличии в сигнале правильного субтонального звукового тона. Эти тоны на самом деле не находятся ниже порога человеческого слуха, но плохо воспроизводятся большинством динамиков, используемых в средствах связи, и в любом случае обычно фильтруются перед отправкой на динамик или наушники.

Теория действия

Радиопередатчики, использующие CTCSS, всегда передают свой собственный тоновый код при нажатии кнопки передачи. Тон передается на низком уровне одновременно с речью. Это называется кодированием CTCSS. Тоны CTCSS находятся в диапазоне от 67 до 257 Гц. Эти тоны обычно называют суб-аудиотонами. В FM-системах двусторонней связи уровни кодировщика CTCSS обычно устанавливаются на 15% отклонения частоты. Например, в системе с отклонением 5 кГц уровень тона CTCSS обычно устанавливается на отклонение 750 Гц. В специализированных системах могут потребоваться иные настройки уровня в диапазоне от 500 Гц до 1 кГц (10–20%). Способность приемника отключать звук до тех пор, пока он не обнаружит несущую с правильным тоном CTCSS, называется декодированием. Приемники оснащены функциями, позволяющими отключить блокировку CTCSS. На консоли базовой станции микрофон может иметь разделенную кнопку "нажми и говори". Нажатие одной половины кнопки (часто обозначенной значком динамика или буквами "MON", сокращением от "MONitor") отключает декодер CTCSS и возвращает приемник к прослушиванию любого сигнала на канале. Это называется функцией монитора. Иногда предусмотрена механическая блокировка: пользователь должен нажать и удерживать кнопку монитора, иначе кнопка передачи заблокирована и не может быть нажата. Эта опция блокировки называется обязательным мониторингом перед передачей (пользователь вынужден осуществлять мониторинг благодаря конструктивным особенностям оборудования). В мобильных радиостанциях микрофон обычно хранится в клипсе или коробке с клипсой для микрофона. Когда пользователь извлекает микрофон из клипсы для совершения вызова, переключатель в клипсе (коробке) переводит приемник в обычный режим шумоподавления ("монитор"). В некоторых конструкциях переключатель расположен в корпусе самого микрофона. В портативных радиостанциях светодиодный индикатор может светиться зеленым, желтым или оранжевым, указывая на то, что другой пользователь говорит на канале. Портативные радиостанции обычно имеют переключатель или кнопку для мониторинга. Некоторые современные радиостанции имеют функцию "Запрет передачи по занятому каналу", которая не позволяет пользователю передавать, пока радиостанция принимает другой сигнал. Декодер CTCSS основан на узкополосном фильтре, пропускающем желаемый тон CTCSS. Выход фильтра усиливается и выпрямляется, создавая постоянное напряжение при наличии желаемого тона. Постоянное напряжение используется для включения, активации или отмены отключения звука динамиков приемника. При наличии тона приемник разблокируется, при его отсутствии – остается в тишине. Поскольку период является обратным частоте, декодирование тонов с более низкой частотой может занимать больше времени (зависит от конструкции декодера). Приемникам в системе, использующей 67,0 Гц, может потребоваться заметно больше времени для декодирования, чем тем, которые используют 203,5 Гц, и больше времени, чем для декодирования 250,3 Гц. В некоторых ретрансляторных системах временная задержка может быть значительной. Тон с более низкой частотой может привести к обрыву одного или двух слогов перед разблокировкой звука приемника (когда он становится слышимым). Это связано с тем, что приемники декодируют сигнал последовательно. Приемник ретранслятора должен сначала обнаружить несущую на входе, а затем декодировать тон CTCSS. После этого системный передатчик включается, кодируя тон CTCSS в свою несущую (выходную частоту). Все радиостанции в системе начинают декодирование после обнаружения несущей и распознавания тона на несущей как действительного. Любые искажения закодированного тона также повлияют на время декодирования. В специализированных системах часто используются тоны в диапазоне от 127,3 Гц до 162,2 Гц для обеспечения быстрого декодирования и исключения тонов из слышимой части принимаемого звука. Большинство производителей контроллеров ретрансляторов для радиолюбителей предлагают опцию задержки звука, которая задерживает повторение речи на выбранное количество миллисекунд перед повторной передачей. В течение этого фиксированного периода задержки (который настраивается во время установки и затем блокируется) декодер CTCSS имеет достаточно времени для распознавания правильного тона. Таким образом, проблему с потерянными слогами в начале передачи можно решить без использования тонов с более высокой частотой. В ранних системах было принято избегать использования соседних тонов. На каналах, где не используются все доступные тоны, это является хорошей инженерной практикой. Например, желательно избегать использования 97,4 Гц и 100,0 Гц на одном канале. Тоны расположены так близко, что некоторые декодеры могут периодически ложно срабатывать. Пользователь может случайно услышать один или два слога от других пользователей на другом тоне CTCSS. С течением времени или из-за производственных отклонений некоторые радиостанции в системе могут лучше, чем другие, подавлять близлежащие частоты тонов.

Radio transmitters using CTCSS always transmit their own tone code whenever the transmit button is pressed. The tone is transmitted at a low level simultaneously with the voice. This is called CTCSS encoding. CTCSS tones range from 67 to 257 Hz. The tones are usually referred to as sub audible tones. In an FM two way radio system, CTCSS encoder levels are usually set for 15% of system deviation. For example, in a 5 kHz deviation system, the CTCSS tone level would normally be set to 750 Hz deviation. Engineered systems may call for different level settings in the 500 Hz to 1 kHz (10–20%) range. The ability of a receiver to mute the audio until it detects a carrier with the correct CTCSS tone is called decoding. Receivers are equipped with features to allow the CTCSS "lock" to be disabled. On a base station console, a microphone may have a split push to talk button. Pressing one half of the button, (often marked with a speaker icon or the letters "MON", short for "MONitor") disables the CTCSS decoder and reverts the receiver to hearing any signal on the channel. This is called the monitor function. There is sometimes a mechanical interlock: the user must push down and hold the monitor button or the transmit button is locked and cannot be pressed. This interlock option is referred to as compulsory monitor before transmit (the user is forced to monitor by the hardware design of the equipment itself). On mobile radios, the microphone is usually stored in a hang up clip or a hang up box containing a microphone clip. When the user pulls the microphone out of the hang up clip to make a call, a switch in the clip (box) forces the receiver to revert to conventional carrier squelch mode ("monitor"). Some designs relocate the switch into the body of the microphone itself. In hand held radios, an LED indicator may glow green, yellow, or orange to indicate another user is talking on the channel. Hand held radios usually have a switch or push button to monitor. Some modern radios have a feature called "Busy Channel Lockout", which will not allow the user to transmit as long as the radio is receiving another signal. A CTCSS decoder is based on a very narrow bandpass filter which passes the desired CTCSS tone. The filter's output is amplified and rectified, creating a DC voltage whenever the desired tone is present. The DC voltage is used to turn on, enable, or unmute the receiver's speaker audio stages. When the tone is present, the receiver is unmuted, when it is not present the receiver is silent. Because period is the inverse of frequency, lower tone frequencies can take longer to decode (depends on the decoder design). Receivers in a system using 67.0 Hz can take noticeably longer to decode than ones using 203.5 Hz, and they can take longer than one decoding 250.3 Hz. In some repeater systems, the time lag can be significant. The lower tone may cause one or two syllables to be clipped before the receiver audio is unmuted (is heard). This is because receivers are decoding in a chain. The repeater receiver must first sense the carrier signal on the input, then decode the CTCSS tone. When that occurs, the system transmitter turns on, encoding the CTCSS tone on its carrier signal (the output frequency). All radios in the system start decoding after they sense a carrier signal then recognize the tone on the carrier as valid. Any distortion on the encoded tone will also affect the decoding time. Engineered systems often use tones in the 127.3 Hz to 162.2 Hz range to balance fast decoding with keeping the tones out of the audible part of the receive audio. Most amateur radio repeater controller manufacturers offer an audio delay option—this delays the repeated speech audio for a selectable number of milliseconds before it is retransmitted. During this fixed delay period (the amount of which is adjusted during installation, then locked down), the CTCSS decoder has enough time to recognize the right tone. This way the problem with lost syllables at the beginning of a transmission can be overcome without having to use higher frequency tones. In early systems, it was common to avoid the use of adjacent tones. On channels where every available tone is not in use, this is good engineering practice. For example, an ideal would be to avoid using 97.4 Hz and 100.0 Hz on the same channel. The tones are so close that some decoders may periodically false trigger. The user occasionally hears a syllable or two of co channel users on a different CTCSS tone talking. As electronic components age, or through production variances, some radios in a system may be better than others at rejecting nearby tone frequencies.

Цифровой код Squelch

CTCSS – это аналоговая система. Позднее Motorola разработала цифровую систему кодированного шумоподавления (DCS) под торговой маркой Digital Private Line (DPL). В ответ General Electric представила аналогичную систему под названием Digital Channel Guard (DCG). Обобщенное название – CDCSS (Continuous Digital Coded Squelch System). Использование цифрового шумоподавления на канале, где уже есть пользователи тонального шумоподавления, делает невозможным использование тонов 131,8 и 136,5 Гц, так как цифровая скорость передачи данных составляет 134,4 бит в секунду, и декодеры, настроенные на эти два тона, будут воспринимать прерывистый сигнал (в сфере двухсторонней радиосвязи это явление называют "ложным срабатыванием" декодера).

Список тонов

+ CTCSS тона NS PL Hz Примечания 1 XZ 67.0 39 WZ 69.3 2 XA 71.9 3 WA 74.4 4 XB 77.0 5 WB 79.7 6 YZ 82.5 7 YA 85.4 8 YB 88.5 9 ZZ 91.5 10 ZA 94.8 11 ZB 97.4 12 1Z 100.0 13 1A 103.5 14 1B 107.2 15 2Z 110.9 16 2A 114.8 17 2B 118.8 18 3Z 123.0 19 3A 127.3 20 3B 131.8 21 4Z 136.5 22 4A 141.3 23 4B 146.2 NATO 150.0 24 5Z 151.4 25 5A 156.7 26 5B 162.2 40 159.8 27 6Z 167.9 41 165.5 28 6A 173.8 42 171.3 29 6B 179.9 43 177.3 30 7Z 186.2 44 183.5 31 7A 192.8 45 189.9 32 M1 203.5 46 196.6 33 M2 210.7 47 199.5 34 M3 218.1 35 M4 225.7 48 206.5 36 M5 233.6 49 229.1 37 M6 241.8 50 254.1 38 M7 250.3

Тона CTCSS стандартизированы EIA/TIA. Полный список тонов можно найти в их оригинальном стандарте RS 220A и в последнем EIA/TIA 603 E; тоны CTCSS также могут быть перечислены в инструкциях производителя, руководствах по техническому обслуживанию или эксплуатации. Некоторые системы используют нестандартные тона. Военные радиостанции НАТО используют 150.0 Гц, и это можно найти в руководствах по использованию радиостанций. В некоторых регионах не используются определенные тона. Например, тон 100.0 Гц избегается в Соединенном Королевстве, поскольку он в два раза превышает частоту сети электропитания в Великобритании; недостаточно сглаженный источник питания может вызвать нежелательное открытие шумоподавителя (это верно и для многих других регионов, использующих питание 50 Гц). Тона обычно происходят из одной из трех серий, перечисленных ниже, вместе с двухсимвольным кодом PL, используемым Motorola для идентификации тонов. Наиболее распространенный набор поддерживаемых тонов состоит из 39 тонов, включая все тоны с кодами Motorola PL, за исключением тонов 8Z, 9Z и 0Z (нуль Z). Самая низкая серия имеет соседние тона, которые находятся примерно в гармоническом соотношении 20.05 к 1 (≈1.035265), в то время как в других двух сериях соседние тона находятся примерно в соотношении 100.015 к 1 (≈1.035142). Пример технического описания можно найти в техническом информационном листе Philips о его продуктах CTCSS.

Обратная CTCSS

Некоторые профессиональные системы используют фазовую инверсию тона CTCSS в конце передачи для устранения ложного открытия шумоподавителя или "хвоста" шумоподавителя. Это часто встречается в системах General Electric Mobile Radio и Motorola. Когда пользователь отпускает кнопку "нажми и говори", тон CTCSS сдвигается по фазе примерно на 200 миллисекунд. В более старых системах для декодирования тонов CTCSS использовались механические язычки. Когда в язычок подавался звук резонансной частоты, он начинал вибрировать, что включало звук в динамике. Фазовая инверсия в конце передачи (называемая "Reverse Burst" компанией Motorola (и запатентованная ею) и "Squelch Tail Elimination" или "STE" компанией GE) вызывала резкую остановку вибрации язычка, что приводило к мгновенному отключению звука приемника. Изначально использовался сдвиг фазы в 180 градусов, но опыт показал, что сдвиг от ±120 до 135 градусов оптимален для остановки механических язычков. В этих системах часто предусмотрена логика отключения звука, работающая только для CTCSS. Если используется передатчик без функции фазовой инверсии, шумоподавитель может оставаться открытым до тех пор, пока язычок продолжает вибрировать – до 1,5 секунд в конце передачи, пока он не остановится (это явление иногда называют "эффектом маховика" или "свободным ходом").

Механизм помех и CTCSS

В некритических применениях CTCSS также может использоваться для маскировки присутствия мешающих сигналов, таких как интермодуляция, генерируемая приемником. Приемники с низкими характеристиками – например, сканеры или недорогие мобильные радиостанции – не способны подавлять сильные сигналы, характерные для городской среды. Помехи все равно будут присутствовать и могут блокировать приемник, но декодер предотвратит их слышимость. Это по-прежнему снизит производительность системы, но пользователь не будет слышать шумы, возникающие при приеме помех. CTCSS широко используется в любительском радиосвязи в диапазонах VHF и UHF для этой цели. Широкополосные и высокочувствительные радиоприемники распространены в любительском радио, что накладывает ограничения на достижимую устойчивость к интермодуляции и помехам по соседним каналам. Радиостанции Family Radio Service (FRS), PMR446 и другие потребительские радиостанции часто включают функцию CTCSS, называемую "коды устранения помех", "подканалы", "тоны конфиденциальности" или "коды конфиденциальности". Они не обеспечивают конфиденциальность или безопасность, а служат лишь для снижения раздражающих помех от других пользователей или источников шума; приемник с отключенной шумоподавительной системой по тону (squelch) будет принимать все сигналы на канале. Радиостанции GMRS/FRS, поддерживающие коды CTCSS, обычно предлагают выбор из 38 тонов, однако номера тонов и используемые частоты могут различаться у разных производителей (или даже в рамках модельного ряда одного производителя) и не должны считаться одинаковыми (то есть "Тон 12" на одном наборе радиостанций может отличаться от "Тона 12" на другом).